臨近既有深基礎盾構施工地面沉降研究

徐小馬 （機械工業勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710043）

0 前言

地鐵隧道施工，主要的施工方法是盾構法。盾構機掘進過程中，造成土體損失反射引起地面沉降。各地區地鐵施工過程中經常出現地面沉降過大導致地面塌陷的情況，在合肥地區地鐵施工也出現過沉降過大的異常情況，遇到地表沉降過大可以通過增加注漿量、提高注漿壓力及地面注漿的方法進行處置。

即使是同一施工條件，不同斷面地面沉降會出現較大的不均勻現象，結合日常監測，針對沉降異常情況，本文提出了臨近既有深基礎情形可能是導致斷面沉降過大的原因，較為合理地解釋了盾構施工中出現的沉降異?，F象，同時合理建立了計算的模型，結合監測數據給出了臨近既有深基礎盾構施工地面沉降計算公式。

1 地面塌陷事故

地面沉降過大危害明顯，沉降過大會導致周邊建構筑物產生不均勻沉降，地下管道差異沉降超過極限出現破壞，從而導致滲水、塌陷和線路中斷等次生災害產生。近年各地地鐵施工引發的地面塌陷（如下圖1）的情況（如下表1），我們在合肥地區監測過程中也發現過沉降過大的情形，遇到沉降監測數據過大可以通過增加注漿量、提高注漿壓力及地面注漿的方法進行處置（如圖1所示）。

近年部分地鐵施工引起的地面塌陷事故統計[1] 表1

圖1 地鐵盾構施工地面開裂塌陷

圖2 注漿處置地下水土流失

2 沉降異?，F象

2.1 沉降數據差異

在合肥軌道交通1號線某標段監測中注意到同一施工環境下地表與斷面的監測數據差異明顯，而這些斷面很多臨近既有深基礎，表2是典型監測數據斷面。

在使用Peck公式時，根據合肥地區研究成果[7]，K取 0.6，Vl取 1.3%。

可以看出，臨近既有深基礎的斷面沉降值偏大，值得深入研究。

2.2 理論分析

通過歸納，總結出了兩種盾構區間和既有深基礎的典型位置關系。第一種是一側臨近臨近既有的深基礎，即單側阻隔的情況，圖3中b所示；第二種是盾構區間兩側都臨近既有深基礎，即盾構隧道兩側土體都受到樁基分隔，見圖3中a；

阻隔條件下沉降差異 表2

圖3 既有深基礎和盾構典型位置關系

圖3表示的兩種盾構和既有深基礎的位置關系情況，圖a是雙側阻隔的情形，圖b是單側阻隔的情形。

根據現有的研究表明，盾構隧道對地表的影響區為3i[2-4]，因此對既有深基礎是否對沉降產生阻隔效應通過以下方法判別：

單側臨近深基礎p＜3i；雙側臨近深基礎p＜3i同時q＜3i

其中i為Peck公式中地表沉降槽寬度參數，無阻隔情況下，即從沉降曲線對稱中心到曲線拐點的距離；p、q為高架橋樁和盾構軸線之間的水平距離。

3 計算方法

3.1 計算假設

為了推導出在臨近既有深基礎情況下的地表沉降計算方法，本文做了以下計算假設。

第一：地面沉降的體量和地層損失的體積相等（不考慮土體的壓縮和排水）；

第二：地層損失后土體只有豎向的移動，不考慮橫向和縱向的土體位移；

第三：有無阻隔條件下沉降分布滿足一般正態分布。

3.2 單側阻隔公式推導

圖4 單側阻隔情形下計算模型

由左側邊界條件y=-p，SL（y）=0；y=0，S（Ly）=Smax可得：

由（1）可得：

在公式（3）中用參數eω替代，即：

根據計算假設2，兩側沉降各占總沉降的一半

根據左邊沉降的平衡可得：

得到：

利用正態分布積分近似計算公式[5]：

由式（3.2）：

可得：

右邊的地表沉降曲線，因為土體不受到阻隔，所以收斂到y=0，根據邊界條件：

其中：

y為從地表沉降曲線中心線到所計算點的垂直距離；

S（Ly）、S（Ry）為左、右側地表一點y處的沉降量；

Smax為地表沉降的最大值，位于沉降曲線的對稱軸上（y=0）；

iL、iR為從左右側地表沉降曲線對稱中心軸到曲線拐點的垂直距離，為了區別于Peck公式，稱之為“耦合沉降槽寬度”；

ω是體現了左右沉降的相互耦合效應，稱之為“耦合參數”。

3.3 單側阻隔公式推導

圖5 雙側阻隔情形的計算模型

對于雙側阻隔情形，左右兩側都受到既有深基礎阻隔，根據單側阻隔的情形得到相同的公式（15）、（16）、（17）。

考慮到當p=q時，SR=SL，當 q→∞ 時，SR=0。所以現給出SR近似計算公式：

3.4 耦合參數獲取

根據上面的推導，可以得到5個方程，涉及的未知數有6個，無法解算。

那么，根據分析獲取耦合參數是求解方程的關鍵。耦合參數是體現左右兩側土體相互制約的一個參數，和地面沉降曲線形態、土性等具有一定的關系。帶入耦合參數后，計算結果要和實際沉降相符合，同時左右兩側中軸沉降量要一致。

因此可以通過試算獲取耦合參數，試算過程如下表3。

“耦合參數”的影響因素分析及試算取值 表3

反復試算，帶入上表取值最后兩側中軸沉降值差距穩定在5%以內。同時和樣本數據進行驗證，吻合度較好，由此得出耦合系數的取值：

（對于臨近既有深基礎單側阻隔的情形q→∞，計算可取q=3p）。

具體計算時，任意選擇一側首先計算相關參數，另外一側可以通過公式（18）、（19）和（20）求得。具體計算步驟總結如表4。

預測公式驗證 表5

3.5 計算公式的驗證

為了驗證上述公式的準確性，結合合肥軌道交通某區間監測數據進行驗證，驗證結果見表5。

通過驗證可以看出，依照Peck公式的預測結果偏小，本文中的公式計算結果和實際相差較小，具有較好的預測效果。

4 臨近既有深基礎距離控制值

目前盾構隧道施工地表沉降控制值一般為30mm，日本、美國等其他國家一般為50mm，我國學者統計相關監測數據后認為地面沉降為80mm時地下管線處于較為安全的狀態[6]，根據目前30/50/80mm的控制值，計算出安全臨近距離，結果見表6。

所以可以得出結論，當臨近既有深基礎兩側距離都超過4.7m時地表沉降量不超過80mm，當任意一側距離小于4m時，沉降量一定會超過80mm，此時需要提高注漿量和注漿壓力，關注地表沉降速率，必要時進行地表注漿處置。

臨近既有深基礎條件下地表沉降計算步驟表4

臨近既有深基礎條件下距離控制值 表6

5 總結

本文結合實際監測，發現了相同施工環境沉降差異的現象，通過觀察，提出了一種可能導致沉降異常的原因。認為，盾構隧道在臨近既有深基礎時，土體沉降在有限的寬度范圍內變化，沉降量比較集中，此時會導致變形沉降過大。

本文通過理論分析，合理建模和假設，給出了計算臨近既有深基礎的地表沉降量的計算方法，通過驗證效果良好。根據給出的公式，計算出了盾構區間臨近既有深基礎的安全控制值。在盾構掘進前可超前發現危險部位，可提前主動采取措施，減少沉降量。

但是本文未求解出計算假設下的精確解，后續研究方向之一為找到求解精確解的最后一個方程。為了進一步的驗證計算公式的準確度，下一步還需要結合數值模擬、模型試驗等方法進行深入的研究。